Växla spänningsregulatorer

I pulsspänningsregulatorer (omvandlare) arbetar det aktiva elementet (vanligtvis en fälteffekttransistor) i pulsläge: styromkopplaren öppnas och stänger växelvis och förser matningsspänningen med pulser till det energiackumulerande elementet. Som ett resultat matas strömpulser genom en choke (eller genom en transformator, beroende på topologin hos en viss omkopplingsregulator), som ofta fungerar som ett element som ackumulerar, omvandlar och frigör energi i belastningskretsen.

Pulser har vissa tidsparametrar: de följer med en viss frekvens och har en viss varaktighet. Dessa parametrar beror på storleken på belastningen som för närvarande tillhandahålls av stabilisatorn, eftersom det är den genomsnittliga induktorströmmen som laddar utgångskondensatorn och faktiskt driver belastningen som är ansluten till den.

I strukturen av en pulsstabilisator kan tre huvudfunktionsenheter urskiljas: en omkopplare, en energilagringsenhet och en styrkrets.De två första noderna bildar en effektsektion, som tillsammans med den tredje bildar en komplett spänningsomvandlingskrets. Ibland kan omkopplaren göras i samma hölje som styrkretsen.

Så arbetet med pulsomvandlaren görs på grund av stängning och öppning elektronisk nyckel… När strömbrytaren är stängd kopplas energilagringsenheten (choken) till strömkällan och lagrar energi, och när den är öppen kopplas lagringsenheten från källan och kopplas omedelbart till belastningskretsen, varefter energin överförs till filterkondensatorn och till lasten.

Som ett resultat verkar ett visst medelvärde av spänningen på belastningen, vilket beror på varaktigheten och frekvensen för upprepning av kontrollpulserna. Strömmen beror på belastningen, vars värde inte får överstiga den tillåtna gränsen för denna omvandlare.

PWM och PWM

Principen för stabilisering av pulsomvandlarens utspänning är baserad på en kontinuerlig jämförelse av utspänningen med referensspänningen, och beroende på avvikelsen mellan dessa spänningar återställer styrkretsen automatiskt förhållandet mellan varaktigheten av den öppna och stängda tillstånd för omkopplaren (den ändrar bredden på styrpulserna med pulsbreddsmodulering — PWM) eller ändrar upprepningshastigheten för dessa pulser, och håller deras varaktighet konstant (med hjälp av pulsfrekvensmodulering — PFM). Utspänningen mäts vanligtvis med en resistiv delare.

Antag att utspänningen under belastning någon gång minskar, blir mindre än den nominella.I detta fall kommer PWM-styrenheten automatiskt att öka pulsbredden, det vill säga energilagringsprocesserna i choken kommer att bli längre och följaktligen kommer mer energi att överföras till lasten. Som ett resultat kommer utspänningen att återgå till nominell.

Om stabiliseringen fungerar enligt principen om PFM, kommer pulsupprepningshastigheten att öka med en minskning av utspänningen under belastning. Som ett resultat kommer fler delar av energin att överföras till lasten och spänningen kommer att vara lika med den erforderliga klassen. Här skulle det vara lämpligt att säga att förhållandet mellan varaktigheten av omkopplarens stängda tillstånd och summan av varaktigheten av dess stängda och öppna tillstånd är den så kallade arbetscykeln DC.

I allmänhet finns pulsomvandlare tillgängliga med och utan galvanisk isolering.I den här artikeln kommer vi att titta på de grundläggande kretsarna utan galvanisk isolering: boost, buck och inverterande omvandlare. I formlerna är Vin ingångsspänningen, Vout är utspänningen och DC är arbetscykeln.

Icke galvaniskt isolerad buck converter-buck converter eller step-down converter

Nyckel T stängs. När omkopplaren är stängd är dioden D låst, ström flyter strypa L och tvärs över lasten R börjar öka. Nyckeln öppnas. När omkopplaren öppnas fortsätter strömmen genom choken och genom belastningen, även om den minskar, att flyta, eftersom den inte kan försvinna omedelbart, först nu är kretsen stängd inte genom omkopplaren, utan genom dioden som har öppnats.

Strömbrytaren stängs igen.Om strömmen genom choken inte hann sjunka till noll under tiden som strömbrytaren var öppen, så ökar den nu igen. Så genom choken och genom belastningen verkar den hela tiden pulserande ström (om det inte fanns någon kondensator). Kondensatorn jämnar ut krusningarna så att belastningsströmmen är nästan konstant.

Utspänningen i en omvandlare av denna typ är alltid mindre än ingångsspänningen, som här praktiskt taget delas mellan choken och lasten. Dess teoretiska värde (för en idealisk omvandlare – utan hänsyn till switch- och diodförluster) kan hittas med följande formel:

Boostomvandlare utan galvanisk isolering - boostomvandlare

Omkopplare T är stängd. När omkopplaren är stängd stängs dioden D, strömmen genom induktorn L börjar öka. Nyckeln öppnas. Ström fortsätter att flyta genom induktorn, men nu genom en öppen diod och spänningen över induktorn läggs till källspänningen. Den konstanta spänningen över lasten R upprätthålls av kondensatorn C.

Strömbrytaren stängs, chokeströmmen stiger igen. Utspänningen från en omvandlare av denna typ är alltid högre än ingångsspänningen eftersom spänningen över induktorn läggs till källspänningen. Det teoretiska värdet på utspänningen (för en idealisk omvandlare) kan hittas med formeln:

Inverterande omvandlare utan galvanisk isolering-buck-boost-omvandlare

Omkopplare T är stängd. Choke L lagrar energi, diod D är stängd. Omkopplaren är öppen — choken aktiverar kondensator C och last R. Utspänningen här har negativ polaritet.Dess värde kan hittas (för det ideala fallet) med formeln:

Till skillnad från linjära stabilisatorer har växlingsstabilisatorer högre effektivitet på grund av mindre uppvärmning av de aktiva elementen och kräver därför en mindre radiatorarea. Typiska nackdelar med omkopplingsstabilisatorer är närvaron av impulsbrus i utgångs- och ingångskretsarna, såväl som längre transienter.